建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究論文

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摘要：目前，國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)鋼材幾乎都從國外進(jìn)口，工程總承包由國外承擔(dān)，制造和安裝則由國內(nèi)廉價(jià)勞動(dòng)力承包，這種局面應(yīng)從速扭轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@與我國產(chǎn)鋼大國的地位很不相稱。大跨度鋼結(jié)構(gòu)鋼材不象高層鋼結(jié)構(gòu)那樣突出，但設(shè)計(jì)方案（包括建筑和結(jié)構(gòu)）經(jīng)常國外中標(biāo)，這種局面與中央強(qiáng)調(diào)建立我們自己的科技創(chuàng)新體系的號召相距甚遠(yuǎn)，應(yīng)該引起我國建筑界的關(guān)注，是水平低還是其它原因，值得我們深思。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)國外建筑

1建筑用鋼占總鋼產(chǎn)量的比重

近數(shù)十年來，前蘇聯(lián)、美國、日本三個(gè)國家一直是世界上鋼產(chǎn)量居前三位的國家，其鋼產(chǎn)量輪流位居世界第一位。因此，這幾個(gè)國家的建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展。而在同一時(shí)期，我國在這方面的發(fā)展則比較緩慢，水平也相對落后。近幾年來，隨著我國改革開放政策的實(shí)行和推進(jìn)，我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。在此期間，我國的鋼產(chǎn)量一躍成為世界第一位。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破億噸大關(guān)；1998年我國鋼產(chǎn)量已達(dá)11434萬t，而且每年增產(chǎn)300萬t.鋼產(chǎn)量的增長為發(fā)展我國建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造了極好的時(shí)機(jī)。但目前，我國與發(fā)達(dá)國家相比在許多方面還存在著明顯的差距，因此，為了推動(dòng)我國建筑鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，我們急需了解國外建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用概況。

中國的建筑用鋼總量約占全部鋼產(chǎn)量的20%～25%，而工業(yè)發(fā)達(dá)的國家則占30%以上。如美國和日本，該項(xiàng)指標(biāo)均已超過50%.在我國，鋼在建筑中主要用于建筑用鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土用鋼筋，鋼絞線，鋼絲，門窗等，而其中鋼結(jié)構(gòu)用鋼只占10%左右，在我國一億噸的鋼產(chǎn)量中，真正用于鋼結(jié)構(gòu)上的也就200～300萬噸。

根據(jù)1998年中期美國金屬建筑行業(yè)分布的一些數(shù)據(jù)，美國金屬建筑行業(yè)的發(fā)展和市場的基本情況是：在20世紀(jì)50、60、70、80和90年代，以百萬美元計(jì)的年銷售額/以萬噸計(jì)的年加工量分別為150/30、300/65、1200/110、1500/125和2200/190，如以50年代為例相應(yīng)的增長倍數(shù)分別達(dá)到1、2/22、8/37、10/57和15/6.3倍。從中可以看出，美國的建筑用金屬年銷售額增長很快，估計(jì)目前已經(jīng)超過25億美元，年加工量也已經(jīng)達(dá)到200萬噸以上。

2低層、多層建筑鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)

美國金屬建筑的主要市場分布：工業(yè)（生產(chǎn)用廠房、倉庫及輔助設(shè)施等）、商業(yè)（商場、旅館、展覽館、醫(yī)院、辦公大樓等）、社區(qū)（私有及公有社區(qū)活動(dòng)中心及建筑如學(xué)校、體育館、圖書館、教堂等）、綜合等方面，分別占到46%、31%、14%和9%的份額。

在美國，低層建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)還是很普遍的。美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)和金屬房屋制造協(xié)會(huì)（AISC和MBMA）聯(lián)合編制了低層建筑的設(shè)計(jì)指南。所謂低層建筑是指層高低于18m，層數(shù)不超過5層的工業(yè)廠房、倉庫、辦公室及其他的辦公和社區(qū)建筑等，其中兩層以下的非居住用樓房建筑占70%.

輕鋼建筑在一些發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑。所謂輕鋼是指以彩鋼板作為屋面和墻面，以薄壁型鋼作檁條和圈梁，以焊接“H”型截面做主與梁，現(xiàn)場用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要結(jié)構(gòu)的一種建筑，再配以零件、扣件、門窗等形成比較完善的建筑體系，即輕鋼結(jié)構(gòu)體系。這種體系由工廠制作，現(xiàn)場按要求拼裝形成。具有自重輕，建設(shè)周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，外表美觀，造價(jià)低，易維護(hù)等特點(diǎn)。由于自重輕，也降低了基礎(chǔ)的造價(jià)。國外輕鋼結(jié)構(gòu)廠商如Butler、BHP、ABC等都已經(jīng)進(jìn)入了中國市場，我國企業(yè)應(yīng)奮起直追，創(chuàng)造條件積極發(fā)展我國自己的輕鋼結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)今后我國建筑鋼結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的要求。

3高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)

由于人類文化生活不斷提高，對高層、大跨度建筑的要求也就越來越高。而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕，強(qiáng)度高，施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。目前世界上最高，最大的結(jié)構(gòu)采用的都是鋼結(jié)構(gòu)，而歷屆奧運(yùn)會(huì)的場館也多采用鋼結(jié)構(gòu)。世界上目前已經(jīng)建成的幾個(gè)純鋼結(jié)構(gòu)建筑為目前世界上最高的超高層建筑，它們是：

1931年建成的102層、高381m的美國紐約帝國大廈（1969年以前一直是最高的）；

1969年建成的110層、高417m的美國紐約世界貿(mào)易中心（南北兩座）；

1970年建成的110層、高443m的美國芝加哥西爾斯大廈；

1996年建成的高450m的馬來西亞雙塔石油大廈（KLCC，號稱目前世界最高，但美國的西爾斯大廈有異議）；

我國于1997年建成的上海金茂大廈為95層，建筑高度421m，結(jié)構(gòu)高度395m，也躋身于世界最高行列。如果上海浦東環(huán)球金融中心大廈（95層460m）建成，則堪稱世界最高，實(shí)為我國一大光榮。深圳賽格廣場大廈70層、高279m，為世界上最高的全部采用鋼管混凝土的超高層建筑，這又是我國的一大光榮。

巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有發(fā)展的結(jié)構(gòu)。如日本千葉縣43層、高180m的NEC大樓，該建筑內(nèi)部布置大開口和大空間庭院，其巨型結(jié)構(gòu)是由四根巨型結(jié)構(gòu)柱和四個(gè)巨型的空間桁架梁組成的巨型空間桁架體系。經(jīng)分析，這種體系具有極強(qiáng)的抗推剛度。另一例是德國法蘭克福1997年建成的商業(yè)銀行新大樓，63層、高298.74m，也是歐洲最高的一棟超高層建筑。該建筑平面為邊長60m的等邊三角形，其結(jié)構(gòu)體系是以三角形頂點(diǎn)的三個(gè)獨(dú)立框筒為“巨型柱”，通過八層樓高的鋼框架為“巨型梁”連接而圍成的巨型筒體系，具有極好的整體效應(yīng)和抗推剛度，其中“巨響梁”產(chǎn)生了巨大的“螺旋箍”效應(yīng)。第三例是日本擬建的動(dòng)力智能大廈（DIB-200），高800m，地上200層，地下7層，總建筑面積150萬m2，由12個(gè)巨型單元體組成。每個(gè)單元體是一個(gè)直徑50m、高50層（200m）的框筒柱，1～100層設(shè)4個(gè)柱，101～150層設(shè)3個(gè)柱，151～200層設(shè)1個(gè)柱，每50層設(shè)置一道巨型梁。結(jié)構(gòu)上設(shè)有主動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步削弱地震反應(yīng)。香港匯豐銀行也屬于一巨型鋼結(jié)構(gòu)大廈，是諾爾曼。福爾特設(shè)計(jì)的。

4大跨度鋼結(jié)構(gòu)

大跨度或較大跨度大都采用鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也有用“膜”完成的，但充氣膜由于一些缺點(diǎn)近年來很少用，張力膜則也需要鋼索和鋼桿的支撐。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館，會(huì)議展覽中心，博覽館，候機(jī)廳，飛機(jī)庫等。最早跨度最大的平板網(wǎng)架是60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學(xué)體育館91m×122m（正放四角錐）。最大的雙層網(wǎng)殼是70年代也是在美國建造的休斯敦宇宙穹頂（Astrodome，直徑196m）及新奧爾良超級穹頂（Superdome，直徑207m）。90年代在日本名古屋又興建了當(dāng)今世界上最大跨度的單層網(wǎng)殼，建筑直徑229.6m，結(jié)構(gòu)直徑187.2m，采用三向網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)為能承受軸力和彎矩的剛性節(jié)點(diǎn)。世界上最大的室內(nèi)體育館是美國1996年奧運(yùn)會(huì)的主體育館棗亞特蘭大體育館（擬橢圓形平面，186m×235m），采用的是張拉整體體系的屋蓋，主要由索、桿、膜組成，是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種新型空間結(jié)構(gòu)。1993年日本建成的福岡體育館，直徑222m，是當(dāng)今最大的開合鋼結(jié)構(gòu)屋頂，而使1989年建成的加拿大多倫多天空穹頂（Skydome，直徑203m），降為世界第二跨度最大的開合結(jié)構(gòu)。超過300m的屋蓋結(jié)構(gòu)全部使用鋼板和型鋼組成，并不是最優(yōu)方案，近年來研究較為成功的是雜交（混合）結(jié)構(gòu)，即桿、索、膜混合使用。最為典型的例子就是千禧之年世紀(jì)之交的千年穹頂（TheMilleniumDome），1997年6月開始擬建，僅用一年時(shí)間施工，1998年6月舉行升頂儀式，該館位于英國倫敦泰晤士河南岸格林尼治，是當(dāng)今世界跨度最大的屋蓋，穹頂酷像飛碟，直徑320m.穹頂由12根包括10m支座在內(nèi)的高100m桅桿塔柱（柱本身90m）通過總長度70km的鋼纜繩懸掛起來的，桅桿塔柱布置在直徑200m圓周上。穹頂網(wǎng)格由72根成對徑向索和7根環(huán)向索做成。穹頂高50m，中間設(shè)有中心索桁架和70m直徑環(huán)，上覆蓋144塊雙層巨幅白色涂以特福隆（Teflon）的玻璃纖維布。工程總面積8萬m2，總預(yù)算7.58億英鎊。館內(nèi)將以“標(biāo)新立異時(shí)代”為主題舉行展覽會(huì)以迎接21世紀(jì)的到來。館內(nèi)設(shè)有“人體探秘”、“時(shí)光課堂”、“金融之窗”、“地球奇跡”、“展望未來”等12個(gè)展區(qū)。當(dāng)然，從理論角度講，跨度再大的結(jié)構(gòu)也是有可能實(shí)現(xiàn)的，為此，日本、美國學(xué)者和研究單位都在進(jìn)行研究。如1959年富勒曾提出建造一個(gè)直徑3.22km的短程線網(wǎng)殼，覆蓋紐約市第23-59號街區(qū)，網(wǎng)殼重8萬t.日本巴組鐵工所曾提出跨度200m、500m及1000m網(wǎng)殼藍(lán)圖，其中500m為全天候多功能體育娛樂活動(dòng)廳，1000m為創(chuàng)造理想未來城市，體現(xiàn)工作、居住、娛樂一體化的豐富日常生活環(huán)境。雖然這種設(shè)想在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中能否實(shí)現(xiàn)還有待于深入研究，但在橋梁方面，1000m左右跨度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，世界上跨度最大的斜拉索橋?yàn)槿毡镜亩喽嗔_大橋全長為890m；最大的懸索橋?yàn)槿毡镜拿髽颍?991m），公路鐵路兩用最大跨度橋?yàn)橄愀鄣那囫R大橋（懸索橋1377m）。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是著名的美國雷里競技館。另外歷屆奧運(yùn)會(huì)、博覽會(huì)等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。如1972年德國慕尼黑（覆蓋7.48萬m2體育場的索網(wǎng)建筑群），1976年加拿大蒙特利爾，1980年莫斯科，1984年美國洛杉磯，1988年韓國漢城（120m直徑體操館及93m直徑擊劍館都是索穹頂），1992年西班牙巴塞羅那圣喬地體育館（128m），1996年美國亞特蘭大喬治亞穹頂（186m×235m索穹頂）。2000年澳大利亞悉尼主體育場（11萬人，兩個(gè)220m×70m的雙曲拋物面網(wǎng)殼）。機(jī)場和機(jī)庫都屬于大跨度結(jié)構(gòu)，在工程中基本上也都采用鋼結(jié)構(gòu)。如英國倫敦希思羅機(jī)庫（一、二期）應(yīng)是規(guī)模比較大的工程。而我國近年來建成的首都機(jī)庫（2-153m×90m）采用三層斜放四角錐網(wǎng)格、焊接球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架，其跨度規(guī)模之大，在國際上是數(shù)一數(shù)二的，這是我國在鋼結(jié)構(gòu)方面的又一大殊榮。機(jī)場的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。香港機(jī)場、馬來西亞機(jī)場都采用大面積單體網(wǎng)殼形式。目前，國際上以及我國都在流行一種波浪形曲面，樹狀支承以及直接交匯的相貫節(jié)點(diǎn)的立體桁架體系。看起來雄壯而美觀。我國深圳機(jī)場、首都機(jī)場、上海浦東機(jī)場就是典型的例子。

5我國建筑鋼結(jié)構(gòu)的前景與差距

從美國、日本、歐洲一些發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)看，建筑業(yè)即將成為鋼材應(yīng)用的主要市場。而目前我國與之相比還有差距。因此我國的高層建筑鋼材到目前為止還都從國外進(jìn)口，特別是大于50mm的厚鋼板，國產(chǎn)產(chǎn)品的Z向性能尚達(dá)不到要求。國外不僅鋼板厚度較大，而且可以滿足各種性能要求。如日本已經(jīng)能夠生產(chǎn)的100mm的厚鋼板，具有以下類型：

①有高強(qiáng)度低預(yù)熱型（以前預(yù)熱75℃，現(xiàn)在預(yù)熱50℃）的厚鋼板590N/mm2級（HT590級）；

②抗地震的厚鋼板，主要有低屈服比高強(qiáng)度鋼材（HT590～HT780級）和低屈服點(diǎn)鋼板，這種鋼材日本重點(diǎn)生產(chǎn)，用于次要結(jié)構(gòu)上，當(dāng)?shù)卣饡r(shí)這種材料先屈服，保證主要結(jié)構(gòu)減少地震損失；

③防火厚鋼板。有400N/mm2及490N/mm2，當(dāng)其在600℃時(shí)屈服強(qiáng)度還能達(dá)到常溫下的2/3；

④裝飾用的奧氏體不銹鋼板及鐵素體不銹鋼板（沿海用，優(yōu)于前者）。

目前，國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)鋼材幾乎都從國外進(jìn)口，工程總承包由國外承擔(dān)，制造和安裝則由國內(nèi)廉價(jià)勞動(dòng)力承包，這種局面應(yīng)從速扭轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@與我國產(chǎn)鋼大國的地位很不相稱。大跨度鋼結(jié)構(gòu)鋼材不象高層鋼結(jié)構(gòu)那樣突出，但設(shè)計(jì)方案（包括建筑和結(jié)構(gòu)）經(jīng)常國外中標(biāo)，這種局面與中央強(qiáng)調(diào)建立我們自己的科技創(chuàng)新體系的號召相距甚遠(yuǎn)，應(yīng)該引起我國建筑界的關(guān)注，是水平低還是其它原因，值得我們深思。